Capteurs polarimètriques de courant

Dans cette étude nous allons traiter le cas d'un capteur polarimétrique de courant. Ces capteurs peuvent être utilisés pour mesurer les mesurandes classiques (température, déformation mécanique et pression), néanmoins leur domaine de prédilection est la mesure de courant ou de tension.

Le principe de ces capteurs est de déterminer l'intensité de courant passant dans un conducteur par la mesure de la densité de flux magnétique créé autour du conducteur par le déplacement des charges.

La densité de flux magnétique est déterminée par l'intermédiaire de la rotation de l'état de polarisation de l'onde lumineuse se propageant dans la fibre ou dans le matériau magnéto-optique. Cette rotation est due à l'effet magnéto-optique qui est proportionnel à la longueur d'interaction (L) et à la constante de Verdet ( ) du matériau utilisé pour le capteur. La rotation angulaire  (mesuré en degrés) de la polarisation de l'onde traversant le composant est donnée par :

où B est l'induction magnétique (Tesla) qui est fonction du courant circulant dans le conducteur ainsi que de sa géométrie.

Différentes méthodes peuvent être utilisées pour mesurer l'angle . La méthode de base étant de faire passer dans un premier temps la lumière dépolarisée par un polariseur. Puis cette onde polarisée est modifiée par l'influence du champ magnétique et pour finir cette rotation est convertie en changement d'intensité par l'analyseur placé devant le détecteur (voir figure 19).

L'intensité transmise a pour expression :

où I0 est l'intensité de la source. L'utilisation des matrices de Jones (vu au paragraphe "Matrices de Jones" ) simplifie grandement l'étude.

L'implémentation la plus simple d'un capteur à fibre optique de courant est représentée sur la figure 20.

Le milieu magnéto-optique utilisé est la fibre optique elle-même. Cette solution est très facile à mettre en oeuvre et est très peu chère. L'inconvénient majeur est la faible constante de Verdet de la fibre de silice (~ 8x10-6 rad/A) qui est significativement inférieure à celles des matériaux cristallins communément utilisés. Il est possible d'augmenter légèrement la sensibilité de cette configuration en effectuant un double passage dans la zone où règne le champ magnétique, soit en rajoutant un miroir en bout de fibre, soit en utilisant un montage identique à l'interféromètre de Sagnac. Il est bien-entendu nécessaire de rajouter un coupleur. Une autre possibilité est d'utiliser un matériau ayant une grande constante de Verdet comme sur la Figure 21.

Les sensibilités aux variations de température et aux vibrations des capteurs optiques de courant ont poussé les chercheurs à imaginer et à mettre au point des montages plus complexes. Une possibilité est représentée sur la figure 22 pour compenser les perturbations.

Deux sources de lumière indépendantes sont injectées et se propagent dans des directions opposées. La rotation de l'état de polarisation est dépendante du sens de parcours de l'onde dans le capteur, en revanche l'intensité des deux sources n'en est pas affectée. En conséquence, on peut utiliser les signaux pour corriger la mesure des vibrations comme le montre la Figure 23. On peut s'apercevoir que la compensation améliore grandement la mesure pour les faibles courants, par contre pour les fortes intensités elle n'est plus vraiment nécessaire.

(d'après [ ]).

Les erreurs dues à la température proviennent, en majorité, de la grande variation de la constante de Verdet des matériaux comme le montrent les courbes de la figure 24.

Dans la figure 24 on peut constater que les deux matériaux FR5 (Faraday Rotator 5 verre) et TGG (Terbium Galium Grenat) sont très sensibles à la température. Néanmoins, cette sensibilité peut être diminuée en utilisant une longueur d'onde de travail adéquate. Si l'on veut réaliser un capteur optique de courant ayant une faible sensibilité à la température le matériaux FR5 est tout indiqué en travaillant à  bien que sa constante de Verdet soit plus faible que celle du TGG.

(d'après [ ]).

Connaissant le comportement en température du matériau utilisé pour le transducteur ainsi que la température il est facilement envisageable de faire une compensation de la mesure. Dans la référence [ ] les auteurs ont opté pour un capteur de température à réseau de Bragg et montré une plage de compensation allant de 20°C à 120°C, comme le montre la figure 25.

D'après [ ].